KR101286191B1 - 압연방향의 투자율이 우수한 무방향성 전기강판 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모터, 변압기와 같은 전기기기의 철심으로 사용되는 무방향성 전기강판의 제조기술에 관한 것으로, 합금성분원소로서 강의 탈산에 필요한 최소한의 sol.Al을 함유하되 S를 적정량 첨가하여 AlN 석출물의 형성을 억제하고, 열연판 소둔 조건을 최적화함에 의하여 성분원소의 첨가량을 과도하게 증가시키지 않고도 자기특성, 특히 압연방향의 투자율을 향상시킨 무방향성 전기강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 중량%로, C: 0.005% 이하, Si: 1.5~4.5%, Mn: 0.005~0.5%, P: 0.1% 이하, sol.Al: 0.001% 이하, S: 0.001~0.005%, Ti: 0.005% 이하, N: 0.004% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 조성되는 압연방향의 투자율이 우수한 무방향성 전기강판을 제공한다.

무방향성 전기강판, 자속밀도, 투자율

Description

압연방향의 투자율이 우수한 무방향성 전기강판 및 그 제조방법{Non-oriented electrical steel sheet having excellent magnetic permeability and method for manufacturing the same}

본 발명은 모터, 변압기와 같은 전기기기의 철심으로 사용되는 무방향성 전기강판의 제조기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 강의 성분원소를 제어하고 열연판 소둔 등의 공정조건을 최적화함에 의하여 압연방향의 투자율을 향상시킨 무방향성 전기강판 및 그 제조방법에 관한 것이다.

무방향성 전기강판은 정지기중 소형 변압기 및 모터 등의 회전기기의 철심용 재료로 널리 사용되고 있다. 회전기기에서 철심은 전기를 부가하여 인가되는 자기장의 이동경로를 형성하며, 제품의 에너지 손실에 큰 영향을 미칠 수 있는 부품이어서 전기제품의 설계에서 철심용 재료로 사용되는 무방향성 전기강판의 자성, 즉 철손과 자속밀도는 매우 중요한 요소로 평가된다.

이 중 자속밀도는 회전기기의 동력을 발생시키는 힘으로써 높을수록 회전기기의 효율을 높일 수 있으며, 투자율을 높일수록 자화가 용이해져 에너지를 절감함은 물론 동선을 적게 감을 수 있어 철심의 크기를 소형화함으로서 전기제품의 크기 를 줄일 수 있다.

한편, 최근의 에너지 절감 추세에 따라 자속밀도가 우수한 고급 무방향성 전기강판의 수요가 증가되고 있으며, 소형 변압기에는 낮은 철손을 가지면서도 크기를 소형화할 수 있도록 압연방향의 투자율이 높은 소재가 요구되고 있다.

종래에는 무방향성 전기강판의 압연방향 투자율을 높이기 위한 방법으로 불순물이 적은 청정강으로 제조하거나, 추가적인 원소를 첨가시킨 강의 집합조직을 개선하여 특성을 향상시키기도 하였다. 전자의 경우 제조공정에서 추가공정으로 인하여 원가가 상승되며, 후자의 경우 추가로 첨가하는 원소에 대한 비용이 증가하게 된다.

대한민국 공개특허 특1998-026183호에서는 V을 첨가하고 있으나 Al의 첨가량이 많아 자속밀도의 개선효과는 만족스럽지 못한 수준이며, 응력제거 소둔을 필요로 하는 단점이 있다. 또한 대한민국 공개특허 특2001-0028570호에서는 Ti의 첨가량이 많아 자성은 미흡한 수준이다.

한편, 일본특허공개공보 제2000-160306호에서는 Al의 첨가량을 낮추고 개재물을 불순물원소인 S의 함량을 증가시켜 가공성을 향상시킨 기술을 소개하고 있으나, 이는 미세한 석출물의 형성을 증가시켜 자성이 열화되는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술이 갖는 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하기 위하여 연구와 실험을 거듭하고 그 결과에 근거하여 본 발명을 제안하게 된 것으로, Al은 강의 탈산을 위하여 요구되는 최소한의 필요량만을 첨가하는 동시에 최적의 공정 조건으로 AlN의 석출을 억제하여 결정립을 50~200㎛ 크기로 성장시킴으로서 압연방향과 압연수직방향의 투자율의 편차가 25% 이상인 압연방향의 투자율이 우수한 무방향성 전기강판 및 그 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 중량%로, C: 0.005% 이하, Si: 1.5~4.5%, Mn: 0.005~0.5%, P: 0.1% 이하, sol.Al: 0.001% 이하, S: 0.001~0.005%, Ti: 0.005% 이하, N: 0.004% 이하, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 조성되는 압연방향의 투자율이 우수한 무방향성 전기강판을 제공한다. (*본 명세서 전체에 걸쳐, "이하"라는 용어에 "0"은 포함되지 않는 것으로 해석한다.)

본 발명의 무방향성 전기강판은 sol.Al이 0.0001~0.001%로 첨가되고, Sn: 0.005~0.2%가 더 첨가되어 조성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 무방향성 전기강판은 결정립의 크기가 50~200㎛이고, 압연방향과 압연수직방향의 1.5테슬라에서의 투자율 편차{(L방향투자율-C방향투자율)×100/(L방향투자율+C방향투자율)}가 25% 이상인 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 상기의 조성을 갖는 슬라브를 열간압연하고, 열간압연된 열연판을 소둔하고, 이어서 냉간압연후 냉연판을 소둔하되, 열연판 소둔시 가열속도를 2~20℃/sec로 하고 850~1100℃에 도달하면 온도를 30초 이내에 내려서 800~1050℃온도로 10~120초 소둔하는 압연방향의 투자율이 우수한 무방향성 전기강판의 제조방법을 제공한다.

상술한 바와 같은 본 발명에 의하면, Al은 강의 탈산을 위하여 요구되는 최소한의 필요량만을 첨가하고 S를 적정량 첨가시키고 열연판소둔 공정조건을 최적화함으로서 AlN의 형성을 억제시키는 것에 의하여 강의 성분원소의 첨가량을 과도하게 증가시키지 않고도 자기특성, 특히 압연방향의 투자율이 우수한 무방향성 전기강판을 제공할 수 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명자는 Si와 Mn 및 P를 첨가한 성분계의 강에서 각 합금원소가 자기적 특성에 미치는 영향에 대하여 조사하여 연구한 결과, Al은 제강에서 강의 탈산용으로 요구되는 최소한만을 첨가시켜 비저항을 가능한 낮추고 그에 따라 포화자속밀도를 증가시키되 특히 S를 0.001~0.005%(10~50ppm)으로 첨가시켜 결정립계를 통해 N이 강 내부로 확산되어가는 것을 최대한 억제하고 결정립계 편석원소인 Sn을 첨가시켜 미세한 석출물인 AlN을 억제함에 의하여 압연방향의 투자율이 종래보다 월등히 향상됨을 확인할 수 있었다.

나아가, 본 발명자는 sol.Al의 첨가량을 최소화되고 압연방향의 투자율을 높일 수 있는 적정량의 S가 첨가된 성분계의 강에 있어서의 공정 조건이 자기적 특성에 미치는 영향에 대하여 연구하였으며, 그 결과 우수한 압연방향의 투자율을 얻기 위해서는 열연판 소둔조건을 최적화하는 것이 중요하다는 사실에 주목하여 본 발명을 완성할 수 있었다.

본 발명은 중량%로, C: 0.005% 이하, Si: 1.5~4.5%, Mn: 0.005~0.5%, P: 0.1% 이하, sol.Al: 0.001% 이하, S: 0.001~0.005%, Ti: 0.005% 이하, N: 0.004% 이하, Sn: 0.005~0.2%, 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 조성되는 슬라브를 열간압연하고, 열간압연된 열연판의 소둔시 가열속도를 2~20℃/sec로 하고 가열대 종료 온도가 850~1100℃에 도달하면 온도를 30초 이내에 내려서 균열대 온도 800~1050℃로 10~120초 소둔함에 의하여 결정립을 50~200㎛의 적정 크기로 성장시키고 압연방향과 압연수직방향의 1.5테슬라에서의 투자율 편차인 {(L방향투자율-C방향투자율)×100/(L방향투자율+C방향투자율)}를 25% 이상으로 하여 압연방향의 투자율을 향상시킨 것에 특징이 있다.

이하, 본 발명에 대하여 상세하게 설명한다.

먼저, 본 발명의 성분제한 이유부터 살펴본다.

[C: 0.005% 이하]

C은 최종제품에서 자기시효를 일으키켜 자기특성을 저하시킬 뿐만 아니라, 탄화물을 형성하여 철손을 열화시키므로, 슬라브에 0.005% 이하로 함유되도록 한다.

[S: 0.001~0.005%]

S는 미세한 석출물인 MnS를 형성하여 자기특성을 열화시키므로 가능한 낮게 관리되도록 하는 것이 유리하며, 0.005%를 초과하지 않도록 함이 바람직하다. 또한 S는 N의 결정립 침투를 억제하는 역할을 수행하며, S의 함량이 작으면 N이 강판 내부로 침입하여 결정립의 성장을 억제하기 때문에 0.001% 이상 첨가하는 것이 바람직하다. 따라서 S는 0.001~0.005%(10~50ppm)로 함유되도록 한다.

[Mn: 0.005~0.5%]

Mn은 집합조직을 발달시키며 미세한 석출물인 MnS의 발생을 억제하기 때문에 첨가하며, 0.005% 미만으로 첨가시 집합조직이 나빠지고 0.5% 를 초과하여 첨가하면 첨가량에 비해 철손의 감소량이 작으며 냉간압연성을 해친다. 따라서 Mn은 0.005~0.5% 첨가함이 바람직하다.

[sol.Al: 0.001% 이하]

Al은 제강공정에서 강을 제조할 때 강 중의 산소를 탈산하기 위하여 0.0001% 이상 첨가되나, 과도하게 첨가하면 비저항이 증가되어 자속밀도가 낮아지므로 0.001% 이하로 함유되도록 한다. sol.Al이 0.001% 를 초과하여 첨가되면 미세한 개재물로 석출되는 AlN이 발생되며, 미세하고 긴 석출물인 AlN은 결정립 성장을 억제하여 자성, 특히 투자율을 저하시키므로, sol.Al의 첨가량을 0.001% 이하로 제한함이 바람직하다. 바람직한 sol.Al의 첨가량은 0.0001~0.001%이다.

[N: 0.004% 이하]

N는 미세하고 긴 AlN 석출물을 형성하여 결정립 성장을 억제하여 투자율을 저하시키므로 가능한 억제해야 하며, 본 발명에서는 0.004% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

[Ti: 0.005% 이하]

Ti는 미세한 탄화물이나 질화물을 만들어 결정립 성장을 억제하여 투자율을 저하시키므로 본 발명에서는 0.005% 이하로 제한한다.

[Si: 1.5~4.5%]

Si는 비저항을 증가시켜 철손 중 와류손실을 낮추는 성분이기 때문에 첨가된다. Si는 그 첨가량이 1.5% 미만에서는 압연방향의 투자율 향상이 곤란하며, 4.5%를 초과하여 첨가되면 냉간압연성이 떨어져 판파단이 일어나기 때문에 1.5~4.5%로 제한하는 것이 바람직하다.

[P: 0.1% 이하]

P는 비저항을 증가시켜 철손을 낮추므로 첨가하기도 하지만, 과다하게 첨가하면 냉간압연성이 나빠지므로 0.1% 이하로 제한하는 것이 바람직하다.

[Sn: 0.005~0.2%]

Sn은 결정립계에 편석하여 결정립계를 통한 질소의 확산을 억제하며 집합조직을 개선하기 때문에 첨가하며, 0.005% 미만으로 첨가되면 그 효과가 없으며, 0.2%를 초과하여 첨가되면 압연성상이 나빠지기 때문에 0.005~0.2%로 첨가한다.

상기한 조성 이외에 나머지는 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성된다.

상기의 성분으로 제조된 무방향성 전기강판의 결정립 크기는 50㎛ 미만에서는 압연방향의 투자율이 높지 않으며, 200㎛ 를 초과하면 철손이 높아지고 투자율도 낮아지는 문제가 생기므로 결정립의 크기는 50~200㎛ 범위로 한다.

상기의 성분으로 제조된 무방향성 전기강판은 L방향(압연방향)과 C방향(압연 방향에 직각인 방향)의 투자율 편차가 25% 이상이 됨에 의하여 압연방향의 투자율이 우수하다. 투자율 편차는 1.5테슬라(Tesla)를 인가하였을 때, {(L방향투자율-C방향투자율)×100/(L방향투자율+C방향투자율)}의 값을 측정한 값으로 하였다.

여기서, L방향투자율은 압연방향의 투자율, C방향투자율은 압연수직방향의 투자율을 의미한다.

이하, 본 발명에 따른 무방향성 전기강판의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다.

상기의 성분을 갖는 강 슬라브를 가열로에 장입하여 1200℃ 이하의 온도로 재가열한다. 재가열 온도가 1200℃를 초과하면 AlN 석출물이 재용해되어 열간압연후 미세하게 석출되어 자성을 열화시키므로 재가열 온도는 1200℃ 이하로 한다.

슬라브가 재가열되면 열간압연을 수행한다. 열간압연하는 방법은 조압연하고 사상압연을 실시하며, 사상압연의 마무리압연은 페라이트상에서 종료한다. 판형상의 교정을 위하여 최종 압하율은 20% 이하로 실시함이 바람직하다. 열간마무리압연을 페라이트상에서 종료하게 되면 잔류응력을 증가시킬 수 있으며, 이어서 권취하여 소둔시의 결정립 성장이 용이하기 때문에 최종제품에서도 결정립이 크게 성장될 수 있게 된다.

상기와 같이 제조된 열연판은 700℃ 이하에서 권취하고, 공기중에서 냉각한다. 권취온도가 700℃를 초과하게 되면 용해도가 낮은 AlN이 재용해되므로 권취후 공냉중에 미세 석출물이 형성될 수 있으므로 열연판을 권취하는 온도는 700℃ 이하로 한다. 권취 냉각된 열연판은 필요시 열연판 소둔을 하거나 열연판 소둔을 생략 하고, 산세하고 냉간압연을 수행한 다음 마지막으로 냉연판 소둔을 한다.

열연판 소둔은 자성 개선을 위하여 필요할 경우에 수행한다. 열연판 소둔시 가열속도는 2~20℃/sec로 하며, 가열대 종료온도가 850~1100℃에 도달하면 온도를 30초 이내에 내려서 균열온도 800~1050℃로 10~120초 소둔한다.

열연판 소둔시 가열속도가 2℃/sec보다 느리면 요구되는 결정립 크기를 얻기가 어려우며, 20℃/sec보다 빠르면 결정립이 과도하게 성장하여 원하는 결정립을 얻기가 어렵다.

열연판 소둔시 가열대 종료온도가 850℃보다 낮으면 결정립 성장이 어려우며, 1100℃보다 높으면 결정립이 필요 이상으로 과도하게 성장되므로 열연판의 가열대 종료온도는 850~1100℃로 한다. 열연판 소둔시 균열온도가 800℃ 미만이면 결정립 성장이 곤란하며, 1050℃를 초과하면 결정립이 필요 이상으로 과도하게 성장되므로 열연판 소둔시 균열온도는 800~1050℃로 한다.

열연판 소둔시 가열대 종료온도에서 균열온도까지의 냉각시간이 30초 이상이 되면 결정립이 과도하게 성장될 수 있으므로 가열대 종료온도에서 균열온도까지의 냉각시간은 30초 이내로 한다. 또한 균열대에서의 균열온도 유지시간이 10초 미만이면 결정립 성장이 미흡하며, 2분을 초과하면 결정립이 과도하게 성장되기 때문에 균열시간은 10초 이상 2분 이하로 한다.

열연판 소둔된 열연판은 산세후 냉간압연한다. 냉간압연은 0.10mm~0.70mm의 두께로 최종 압연한다. 필요시 1차 냉간압연후 중간소둔후 2차 냉간압연할 수 있으며, 최종 압하율은 50~95%의 범위로 한다.

최종 냉간압연된 강판은 냉연판 소둔한다. 본 발명에서 냉연판 소둔의 균열온도는 850~1100℃로 한다. 냉연판 소둔온도가 850℃ 미만에서는 결정립 성장이 미흡하며, 1100℃ 초과에서는 결정립이 과도하게 성장되므로 냉연판의 균열온도는 850~1100℃로 한다.

상기 소둔판은 절연피막처리후 고객사로 출하된다. 상기 절연피막은 유기질, 무기질 및 유무기 복합피막으로 처리될 수 있으며, 기타 절연이 가능한 피막제로 처리하는 것도 가능하다. 고객사는 강판을 가공 후 그대로 사용할 수 있다.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

[실시예 1]

하기 표 1과 같이 조성되는 강 슬라브를 1,180℃에서 가열하고, 2.5mm의 두께로 열간압연한 후 권취하였다. 공기 중에서 권취 냉각된 열연강판은 표 2와 같은 조건으로 소둔하고, 산세한 다음 0.35mm 두께로 냉간압연하였으며, 냉연판 소둔은 1050℃에서 실시한 후 자기적 특성을 조사하였다. 그 결과는 하기 표 2와 같다.

[표 1]

(주1) 상기 성분에서 C, S, Ti는 ppm 단위이며, 기타는 중량% 단위임.

[표 2]

주2) 철손(W_15/50)은50Hz주파수에서1.5테슬라의 자속밀도가 유기되었을 때의 압연방 향과 압연수직방향의 평균 손실(W/kg)임.

주3) 투자율(U1.5)은 1.5테슬라에서의 자속밀도에서 유도되는 압연방향 투자율(L방향투자율)과 압연수직방향 투자율(C방향 투자율)의 평균값임.

상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 성분범위를 만족하는 발명강 (A~E)을 이용하여 본 발명의 제조조건으로 제조한 발명재(1~6)은 자속밀도가 높게 나타났으며, 철손도 낮음을 알 수 있다.

비교재1은 Mn량이 높으며, 비교재2는 Sol.Al이 발명의 범위 대비 높아서 철손이 높고, S가 낮아서 압연방향의 투자율이 미흡하며 투자율 편차도 낮다. 비교재3은 발명강이어도 열연판 소둔온도가 낮으면 결정립성장이 미흡하여 철손이 높아서 에너지 손실이 많으며, 압연방향의 투자율도 낮다. 비교재4는 sol.Al이 높고, 압연방향과 압연수직방향의 투자율 편차도 낮다. 비교재5는 sol.Al이 높으며, 열연판 소둔시 균열온도가 가열온도보다 높아 균열대에서 결정립이 과도하게 성장됨으로 인해 자성이 미흡하다.

[실시예2]

중량%로, C: 0.0025%, Si: 3.3%, Mn:0.075%, P: 0.015%, S: 0.0011%, sol.Al: 0.0005%, N: 0.0012%, Ti: 0.0012%, Sn: 0.04%, 나머지 Fe 및 기타 불가피한 불순물로 조성되는 슬라브를 1,100℃로 재가열한 다음 열간압연시 사상압연의 마무리압연온도는 850℃로 하여 2.0mm 두께의 열연강판을 제조하였다. 상기 열연강판을 650℃에서 권취한 다음 공냉하고, 열연판을 소둔하였다. 열연판 소둔시 가열 대 종료온도는 1050℃이었고, 균열대온도는 980℃이었으며, 균열대 유지시간은 60초이었다. 이때 열연판 소둔시 가열대 종료온도에서 균열대 개시까지의 시간은 20초, 30초 및 50초의 3가지 조건으로 하였다. 소둔된 열연판은 산세하고, 0.35mm의 두께로 냉간압연한 후, 1050℃로 냉연판을 소둔하였다. 소둔된 강판의 특성은 아래의 표 3과 같이 조사되었다. 가열대에서의 종료시간이 50초로 긴 비교재1은 결정립이 과대하게 성장되어 자성이 미흡하다.

[표 3]

Claims (5)

1. 중량%로, C: 0.005% 이하("0"은 불포함), Si: 1.5~4.5%, Mn: 0.005~0.5%, P: 0.1% 이하("0"은 불포함), sol.Al: 0.001% 이하("0"은 불포함), S: 0.001~0.005%, Ti: 0.005% 이하("0"은 불포함), N: 0.004% 이하("0"은 불포함), 잔부 Fe 및 기타 불가피하게 첨가되는 불순물로 조성되는 압연방향의 투자율이 우수한 무방향성 전기강판.
2. 청구항 1에 있어서,

   sol.Al은 0.0001~0.001% 로 첨가되고, Sn: 0.005~0.2% 가 더 첨가되는 압연방향의 투자율이 우수한 무방향성 전기강판.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   압연방향과 압연수직방향의 1.5테슬라에서의 투자율 편차인 {(L방향투자율-C방향투자율)×100/(L방향투자율+C방향투자율)}이 25% 이상인 압연방향의 투자율이 우수한 무방향성 전기강판.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   결정립의 크기가 50~200㎛인 압연방향의 투자율이 우수한 무방향성 전기강판.
5. 청구항 1 내지 청구항 2중 어느 한 항에 기재된 조성을 갖는 슬라브를 열간압연하고, 열간압연된 열연판을 소둔하고, 이어서 냉간압연후 냉연판을 소둔하되, 열연판 소둔시 가열속도를 2~20℃/sec로 하고 850~1100℃에 도달하면 온도를 30초 이내에 내려서 800~1050℃온도로 10~120초 소둔하는 압연방향의 투자율이 우수한 무방향성 전기강판의 제조방법.